（计算机应用技术专业论文）基于iscsi的虚拟存储系统设计与实现.pdf

西北工业人学顶i 论文 摘要 摘要 随着当今世界信息技术和计算机网络的迅猛发展，全球的数字化浪潮带来 了海量的数据增长，存储数据的数量急剧增加，从而导致信息爆炸，数据孤岛 等等众多新的问题，这给企业保存和维护这些海量数据带来了巨大的挑战。为 了解决这些问题，存储技术已从传统的以主机为中心的存储结构向网络存储系 统方向发展，利用广泛开放的网络环境进行数据存储已成为当今企业的对数据 存储的迫切要求。 本项目采用先进的i s c s t 网络存储协议并结合虚拟存储技术构建了一种基 于i s c s i 的虚拟存储系统( v i r t u a l i z a t i o ns t o r a g es y s t e mb a s e do i li s c s i 简称 v s s b i ) 。v s s b i 运行于分布的网络环境中，以虚拟存储交换机为核心设备，利 用i s c s i 协议将所有的存储节点虚拟化到交换机本地，然后刨建分布式r a i d 存储系统，并利用控制台对其进行集中式管理。 本文的研究工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 分析了网络存储技术及其发展趋势。 ( 2 ) 分析了i s c s i 协议和虚拟存储技术，并结合二者的优势提出v s s b t 系 统的设计架构。 ( 3 ) 详细论述了基于i s c s i 的虚拟存储系统设计和实现，对系统的功能要 求、逻辑结构、通信协议和安全性设计进行了详尽的阐述，并论述了 i s c s i 协议的程序实现，分布式r a i d 的实现，虚拟存储交换机、控制 台及系统部分关键模块的程序实现。 ( 4 ) 给出了v s s b i 的功能测试、系统读写测试、数据冗余测试，并对测试 结果进行了分析。 关键字：网络存储，i s c s i 协议，虚拟存储交换机，分布式r a i d 两北r 业夫学倾l 论文 a b s 1 r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep r e s e n tw o r l di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rn e t w o r k s ，t h eg l o b a ld i g i t a lh a sb r o u g h tt h em a s sd a t ag r o w t h t h e q u a n t i t yo fs t o r i n gd a t ai n c r e a s e sr a p i d l y t h e r e f o r ei tc o m e ss o m en e wp r o b l e m s ， s u c ha si n f o r m a t i o ne x p l o s i o n d a t ai s l a n de t c i ti sac h a l l e n g et os t o r ea n d m a i n t e n a n c et h ei l a s sd a t af o rt o d a y sc o r p o r a t i o n s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s t o r a g e t e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e df r o mt r a d i t i o n a ls t o r a g e s t r u c t u r ec e n t e r e di nh o s t c o m p u t e rt on e t w o r ks t o r a g es y s t e m s t o r i n gd a t au n d e rt h eb r o a do p e nn e t w o r k e n v i r o n m e n th a sb e c o m ea ne x i g e n tr e q u e s tf o rt o d a y sc o r p o r a t i o n a d o p t i n gt h ea d v a n c e di s c s in e t w o r ks t o r a g ep r o t o c o la n dv i r t u a ls t o r a g e t e c h n o l o g y , t h ep r o j e c td e s i g n sav i r t u a l i z a t i o ns t o r a g es y s t e mb a s e do ni s c s i ( f o r s h o r tv s s b i ) c e n t e r i n gi ut h ev i r t u a ls t o r a g es w i t c h e rv s s b iw o r k so n 血e d i s t r i b u t e dn e t w o r ke n v i r o n m e n t a t i e ra l lt h es t o r a g ec m n o d e sv i r t u a l i z i n gt ot h e s w i t c h e r sl o c a lb yi s c s ip r o t o c o l ，v s s b lw i l ls e t u pu pt h ed i s t r i b u t e dr a i d s t o r a g es y s t e m b e s i d e sw eh a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h ec o n s o l ew h i c hw i l l m a n a g et h er a i di nc e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tf o r m t h er e s e a r c hw o r km e n t i o n e di nt h ep a d e ri sm a i n l ya b o u t ： ( 1 ) i ta n a l y z e st h en e t w o r ks t o r a g et e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d s ( 2 ) i td i s c u s s e st h ei s c s ip r o t o c o l a n dv i r t u a l s t o r a g et e c h n o l o g y t h e n c o m b i n i n gt h ep r e d o m i n a n c eo f t h et w o ，i tp r o p o u n d st h ed e s i g nf r a m e w o r k o f t h ev s s b i ( 3 ) i td e s c r i b e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv s s b i ，w h i c hc o m p r i s e st h e f u n c t i o nd e s i g n ，l o g i c a lf r a m e w o r k ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds e c u r i t y d e s i g n t h e ni td e e p l y d e s c r i b e st h ep r o g r a m m eo fi s c s ip r o t o c o l ，t h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ed i s t r i b u t e dr a i da n dp r o g r a m m ei m p l e m e n t a t i o no f t h ev i r t u a ls t o r a g es w i t c h e r , t h ec o n s o l ea n ds o m ep i v o t a lm o d u l e so ft h e s y s t e m r 4 、i td e s c r i b e st h ef u n c t i o nt e s t t h es y s t e mw r i t e r e a dt e s ta n dt h ed a t a r e d u n d a n c yt e s t t h e ni ta n a l y z e st h et e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：n e t w o r ks t o r a g e ，i s c s ip r o t o c o l ，v i r t u a ls t o r a g es w i t c h e r , d i s t r i b u t e d r a i d 1 1 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 当今世界信息技术迅猛发展，人类社会正进入一个信息社会，社会经济的 发展对信息资源、信息技术和信息产业的依赖程度越来越大。在信息社会中， 信息己成为人类宝贵的资源，成为生产力的核心。全球的数字化浪潮，带来了 海量的数据，数据的海量增长，使企业对信息的存储需求正在飞速地增长，信 息的采集与处理将成为决定企业生存与发展的关键。企业比以往任何时候都更 加依赖于数据，企业在经营中也产生大量有价值的数据，这些数据对企业的生 存与发展至关重要。而数据是信息的符号，由于越来越多的关键信息转化为数 掘，对企业用户而言，数据成为比计算机系统设备贵重得多的财富。对于很多 行业甚至个人而言，保存在存储系统中的数据是最为宝贵的财富。在很多情况 下，数据要比计算机系统设备本身的价值高得多，尤其对金融、电信、商业、 社保和军事等部门来说更是如此。 随着网络上的数据信息成指数的增k ，大量信息需要进行处理并通过网络 传输，如电子商务、多媒体、仿真、建模、数据仓库等，这导致对存储系统的 容量、性能、可用性、可扩展性以及可管理性等诸多方面需求更高。巨大的网 络客户使传统的存储系统越来越成为计算机系统服务性能的瓶颈，为了克服传 统存储系统的不足，存储技术也从传统的以主机为中心的存储结构向网络存储 系统发展。存储数据的数量急剧增加，导致信息爆炸，数据孤岛等等新问题层 出不穷，这给企业保存、维护这些海量数据带来巨大挑战。商业机构和其他一 些组织急切需要有效的方式来存储和维护他们的数据。p c 的出现、i n t e r n e t 的 诞生都曾经席卷全球，为整个世界带来了翻天覆地的革命。如今，人们又将面 临第三次i t 网络存储浪潮。能够为网络上的应用系统提供多样、快截、简便的 存储资源，另一方面有能共亭存储资源并对起实施集中式的管理，成为现今理 想的存储管理和应用模式。网络存储设备提供网络信息系统的信息存取和共享 服务，其主要特征体现在：超大存储容量、大数据传输率以及高的系统可用性。 网络存储对于企业而言，就像港湾对于航船一样重要，不仅是宝贵数据的周转 站，更是规避风险的理想场所。 为什么要用网络存储? 首先是数据增长的需要，随着计算机规模的扩大， 数据量成几何级的增长，越来越多的业务分布在不同的机器上和不同的操作平 台上，业务与数据的关联性电越来越强，以及对数据传输、管理、维护、虚拟 化等等要求，都意味着对数据存储技术的发展提出了全面的挑战，对存储体系 结构提出了进步的要求。而传统的存储方式下，数据分散在不同的机器、不 同的应用层面上，管理分散，安全性得不到保障，难以实现数据库的高效在线 备份等。网络存储技术正是应对当前需要而出现的一种新兴技术，并且将成为 存储技术新的发展方向。大容量的数据增长促使网络存储应运而生，网络存储 西北t 业大学硕l 论文 第一章绪论 正以超越服务器数倍的速度发展，网络数据和信息的急剧增加也自然带来了存 储服务市场的迅速增长，未来几年内，所有存储市场的增长均来源于网络存储 市场。 1 2 网络存储概述 1 2 1 网络存储的概念 网络存储是通过高速的网络把存储系统和主机系统连接起来，由网络存储 设备把数据的存储和数据的使用分离，从而改进存储空间利用率。降低存储空 间的浪费，提高了系统的可扩展性和数据的可用性。其主要特征体现在超大存 储容量、大数据传输率以及高的系统可闻性等特点。网络存储技术能够为网络 上的应用系统提供多样、便捷的信息存取和资源共享，具有灵活的寻址能力， 远距离的传输自力和z o 高效的原性能等，并对其实施集中式的管理，以及远 程备份、灾难恢复等应用，消除信息数据和用户之间的“距离”，实现对信息数 据的有效传输和管理，是现今理想的存储管理和应用模式1 4 j 。 1 2 2 网络存储的分类 传统的存储器是一种总线型结构，它通过主机的总线与主机相连。这种结构 应用到网络设备上便形成了现在常用的网络服务器模型如图卜l 所示。 圈l l 传统存储服务器模型 网络存储技术是最近提出来的一项新技术，它利用传统存储设备和网络设 备实现网络存储功能，构造出能直接被网络访问的网络存储设备。利用网络存储 设备形成的网络服务器模型如图卜2 所示。 传统的存储模式主要是直接连接存储，存储体系是以服务器为中心的存储 结构，各种存储设备通过诸如i d e 或s c s i 等i o 总线与服务器相连。随着网络 时代发展的应用需求，其缺点越来越多，主要表现在：存储容量的扩展受到限 制，各个服务器相互连接不起来，形成孤岛的现象：还有就是连接距离有限， 且资源共享和管理复杂。网络存储把服务器与存储设备分离开来，存储设备从 服务器转向独立的网络存储，从而使服务器从繁忙的数据管理任务中解脱出来， 避免了总线瓶颈的产生和存储系统的崩溃。 两北1 业人学坝i j 论文 第一章绪论 图卜2网络存储服务器模型 按照存储设备与计算机系统的连接方式，可以将存储系统粗略地分为以下 几类： ( 1 ) 网络连接存储n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ) n a s 是一种相对较新的存储技术形式，通常由特殊定制的网络文件服务器 和局域网络构成。最为常见的是基于咀太网的i p 协议。n a s 基于现有的局域网， 通过n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ，网络文件系统，用于u n i x 环境) 或者 c i f s ( c o m m o ni n t e r n e tf i l es y s t e m ，公用i n t e r n e t 文件系统，用于w i n d o w s 环 境) 等标准化的协议，在存储设备端提供基于网络访问的文件级服务的网络存储 技术。 n a s 存储设备实际上是一个独立的服务器，类似于一个专用的文件服务器， 不过这种专用文件服务器去掉了通用服务器原有的大多数计算功能，仅向客户 端提供文件存取服务。从而实现操作系统和文件服务器功能的专门化在一定价 格水平下提供最佳的存储性能。n a s 将存储设备通过标准的网络拓扑结构直接 连接到l a n 上，并且为了便于互联，使用了l a n 上最常用的t c p i p 协议。通 过设定n a s 系统i p 地址的方式，使得n a s 系统连接到网上，并实现任意位置上 的数据访问。在有n a s 存储设备的网络中，计算机系统是通过文件重定向器从一 个n a s 存储设备中得到数据的。当一个用户( 或应用程序) 试图通过网络访问n a s 存储设备中的数据时，重定向器把对本地文件系统的本地i o 路径重定向到使 用i c p i p 协议的网络操作而连接到某个远程服务器，服务器上运行的软件提供 支持多个客户访问的文件系统。该远程服务器( 含与它连接的存储器) 即为n a s 存储器。 n a s 集中于中小型的应用，适合运用于网络文件服务模式，如c a d 、软件 开发及网络电子邮件等。但随着网络规模的迅速扩大化，n a s 系统也肩负不了 重任，传输能力、扩展性能、数据备份能力都是极其有限。 。 ( 2 ) 存储局域网s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) s a n 是一类将计算设备与存储设备连接的网络设施。该类网络设施可以满 足传输速度快、高可靠及可扩展，用于支持大量存储容量和共享的需求。 s a n 是一种面向数据块i o 操作的专用存储网络，由服务器、存储设备( 磁盘 阵列、磁带机等) 、交换机( 或集线器) 及光纤通道连接而成。它为存储进行了专 门 i 】优化，以数据存储为中心，使用专t f = | 的存储哳议( 如：$ c 5 i ) ，在资源共享 环境下连接多个存储设备和服务器，以多点对多点的方式进行管理，其实质就 是一个独立于服务器系统之外、专门用于数据存取的高速互联网络。 两北二【：业人学坝i ： 芑文 第一章绪论 s a n 将存储设备作为网络上的个“区域”，建立一个单独的列络系统，可 以把s a n 看作是负责存储传输的“后端”网络，而“前端”网络( 数据网络) 负责 正常的t c p i p 传输。s a n 采用适合数据传输和管理特点的物理、链路、网络传输 等专用的存储协议，如：s c s i ，把各种不同平台上的服务器、工作站、客户机 以及存储设备( 磁盘阵列、磁带、光箍等) 方便地连接在一起。s a n 允i ：在主机 和存储器之问快速进行信息交换而没有带宽的限制，解决了大量数据存取的问 题，专门用于大容量存储设备和服务器之问的存储管理和数据交换。 在s a n 系统中，存储设备不再限制于服务器系统，而表现为服务器节点上的 “网络磁盘”，在服务器操作系统看来，就像网络盘与本地盘一样。通过将存储 系统与计算系统相隔离，使得计算系统可以更方便地共享存储设备，提高存储 系统的可用性：同时，存储系统的扩展性也得到极大的改善，每台主机扩大更 多的可控存储的容量，还可以通过级联交换机或集线器来连接多个存储设备来 扩展容量。目前s a n 主要采用f c + s c s i 应用协议作为存储访问协议，使用光纤通 道( f i b r ec h a n n e l ) 的数据专用网络区域，服务器与存储子系统之间的数据在 光纤上传输。由于f cs a n 只用于存储，不会有其他服务的数据流在上面传输， 可以做到独享带宽；光纤通道本身又具有的高传输速率，从而真诈实现了高速 共享存储的目标，同时还保证了数据传输速率的稳定性。 s a n 集中于大型应用领域，传送的是数据块，适合大数据量传输和实时数 据处理，主要用于诸如数据中心，远程灾难备份、恢复，数据镜像，主从 ( s e r v e r c 1i e r i c ) 运算架构应用模式、数据库等需要专属或高效储存装置的大 容量存储环境。 ( 3 ) i p 存储i p s ( i ps t o r a g e ) i p s 是基于t c p i p 协议和以太网的网络存储方式，提供了基于数据块级的 数据传输，是目前发展最快的网络存储技术。 i p 网络存储就是使用i p 网络，而不是光纤通道，是基于t c p i p 协议和以 太网把服务器与存储设备连接起来的网络存储技术。i p 存储在局域千兆以太网 或广域网上传输的是数据块而不是文件，在i p 存储网络中，基于s c s i 的服务 器、磁盘阵列、磁带库等设备可以通过千兆以太网交换机，与以太网上的其他 设备进行连接和互操作。与光纤通道技术相同的是i p 存储也是可以交换的，但 与光纤通道不一样的是，i p 网络是成熟的，不存在任何兼容性和互操作性的问 题，而且i p 网络已经被i t 业界广泛认可，拥有非常多的网络管理软件和服务 产品可供使用。 目前，除了已通过国际标准的i s c s i 以外，还有诸如f c i p 、i f c p 等互联技 术。i s c s i 是由互联网工程任务组制定的网络存储协议标准，提供了基于i p 网 络的数据块级存储传输，是目前发展最快的网络存储技术【5 j 。 1 2 3 网络存储的发展趋势 存储信息，就是存储未来。在存储市场爆炸性增长的同时，用户更关心网 络存储技术未来的发展趋势。根据预测，5 年后，全球网络存储领域中i s c s i 所占的比例要高于传统意义的s a n 。当然，如果分析网络存储的整个领域，不 ! 型生旦些叁兰堡生堡兰一 笙：量堑堡 光是n a s 、s a n 、i s c s i ，还有很多其他技术，但是大的趋势非常明显，就是网 络化存储的大趋势。它从总体上节省了用，、t 的资源，降低了用户的投资，管理 上更加简单f 引。 ( 1 ) 融合成为大趋势 用户的应用环境和需求往往是复杂的，它对网络存储架构的要求也就不可 能那么单一，s a n 和n a s 各自的优势和欠缺决定了它们任一架构的单枪匹马出 征都可能使结局不那么令人满意。于是，融合它们各自的优势，推出更符合用 户需求的解决方案成为网络存储的未来发展趋势。 ( 2 ) 提高数据安全等级 安全性近年来备受重视。随着社会信息化的日益普及，数据对于我们来说 越来越重要。数据集中化管理为企业带来了许多好处，但也使突发事件所产生 的影响大大增加。同时，网络的开放性使系统不断受到病毒、网络犯罪的威胁。 另外，在电信、银行等关键业务领域，减少业务中断带来的损失和保证9 9 9 9 9 系统可靠性成为广泛的需求。这一切都使数据安全成为当前和今后的热点领域。 ( 3 ) 网络存储的互通性 网络存储的互通性是指从局域网、城域网到广域网，无论数据存储在什么 地方，数据应能共享，并实现任何时间都能存取数据，即各种存储结构的数据 之间能够进行通信。 n a s 和s a n 是网络存储的两种主要架构，因此，互通性包 括两方面，即n a s 如何提供数据块访问服务和s a n 如何提供文件访问服务。 ( 4 ) 加强存储资源管理 数据存储量的快速增跃、存储系统更加复杂、存储空间利用率低以及存储 管理费用直线上升，使得存储资源管理( s r m ) 变得越来越重要。s r m 包括存储 设备和存储网络管理、存储空间及其配置管理、数据传输及其通道管理、存储 系统i o 服务质量管理( o o s ) 、对数据存储管理的全面支持、对异构平台应用系 统的支持以及远程数据复制和分发管理。 1 3 课题应用背景 当今社会，信息正以超乎人们想象的速度增长，这对信息存储系统的容量 和速度提出了空前的要求，由此引发的各种问题也随之而来。人们对信息数据 日益广泛的需求导致存储系统的规模变得越来越庞大，管理越来越复杂，信息 资源的爆炸性增长和管理能力的相对不足之间的矛盾日益尖锐。同时，这种信 息资源的高速增长也对存储系统的可靠性和扩展性提出了挑战，信息资源的共 享也显得越来越重要。 在广域网中存在大量相互独立的数据孤岛，它们之问的数据资源不能共享， 存储空间不能得到有效使用，数据的传输性能不足。据统计，在企业网、局域 网内部采用分布式存储技术的企业，其存储服务器、磁盘阵列甚至p c 的存储空 问利用率一1 般只达到5 0 ，很多设备l 至还达不到，用j 1 1 投资被大量浪赞。山 于文件服务器系统缺乏对并行t o 的支持，在大量用户访问或遭到恶意访问攻 击时，系统将很快达到饱和而无法完成服务。 在由高速串行s c s i 接口构建的s a n 中，如果没有s a n 管理软件的管理和调 筇一章绪论 度，只要存在两台主机，就必然存在共享冲突的问题，存储设备就无法正常工 作，光纤通道的优点就无法体现出来。相反，如果s a n 管理软件管理调度得当， r c 所具有的优势就能被充分发挥出来，在此基础j ：，还可在系统中增添如并行 存储、负载平衡和数据迁移等功能，将使系统具有非常高的性能，全方位解决 在信息高速公路中服务器存储系统的瓶颈问题。 由此可见，在传统的存储系统中存在系统资源利用率低，共享难，管理复 杂等诸多缺点，为此我们引入虚拟存储。 存储虚拟化是将用户看到的存储资源同具体的物理存储设备分隔开来，为 存储用户提供统一的虚拟存储池。它是具体存储设备或存储系统的抽象，展示 给用户一个逻辑视图，同时将应用程序和用户所需要的数据存储操作和具体的 存储控制分离。存储虚拟化的任务首先是在多个物理存储设备或存储系统上创 建一个抽象层，屏蔽复杂性，简化管理：其次是对存储资源进行优化。通过存 储虚拟化技术，不仅可以简化异构存储管理的复杂性，更可以高效充分地利用 存储空间。通过在互连网络环境中引入分布式r a i d 功能，能够实现数据有效备 份和容灾，提高信息的安全可靠性。通过将三级存储设备虚拟为二级存储，可 以为用户提供快速海量存储。本课题研究了广域网范围和存储局域网内部的存 储虚拟化技术，以及支撑这种技术的虚拟存储系统。 旦盟笠生些墨竺堡蔓兰翌上一 釜三堡! ! ! ! ! 垫查。! 生型堑塑垫查 第二章i s c s i 技术与虚拟存储技术 2 1i s c s l 技术 2 1 1i s c s i 技术概述 i s c s i 是由i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，互联网工程任务组) 开发的一种基于i p 存储网络的新的i n t e r n e t 协议，i s c s i 的原理是将s c s i 命 令通过i p 网络传输，这样就可以使在网络上传送数据更加便利，而且可以实现 远程存储管理。i s c s i 协议是推动存储区域网络( s a n ) 技术快速发展的关键技 术之一，因为它使数据存储的传送更加快捷。由于i p 网络的灵活性，i s c s i 可 以在局域网( l a n s ) 、广域网( w a n s ) 或i n t e r n e t 上传输数据【6 1 。 i s c s i 使标准的s c s i 命令能够在t c p i p 网络上的主机系统( 启动器) 和存 储设备( 目标器) 之间传送，而且i s c s i 协议支持在系统之间传送标准的s c s i 命令。在系统之间的连接是通过标准的i p 网络基础设施实现的，而不是通过 s c s i 线缆或f i b e rc h a n n e l 。s c s i 命令的生成表示可以通过启动器上的软件以 标准的t c p i p 和现成的n i c 完成。但是，由于处理t c p i p 协议时需要占用很 多c p u 资源，所以这样的“软”实现方法在性能上会有缺陷。有了i s c s ih b a ( h o s tb u sa d a p t e r ，主机总线适配器) 后，这个问题就解决了，h b a 可以分担 协议的处理，放入千兆以太网h b a 的固件中。这样可以大大降低对c p u 资源的 占用率，为应用程序的处理释放出了更多的c p u 周期。 i s c s i 的工作原理是：当终端用户或应用程序发送一个请求后，操作系统将 生成一个适当的s c s i 命令和数据请求，s c s i 命令通过封装，而且在需要加密的 时候要执行加密处理。然后这些命令加上t c p i p 协议的包头，就可以在以太网 上传输。接收端在收到这个数据包后按照相反的方向进行解包，解析出s c s i 命 令和数据请求，s c s i 命令再发送给s c s i 存储设备驱动程序，因为i s c s i 是双向 的协议，所以它可以将数据返回给原来的请求。 i s c s i 存储网主要是由i s c s i 请求方( 如文件服务器) 和i s c s i 目标方( 如 磁盘阵列和磁带子系统) 组成。主机和存储资源同时支持千兆以太网接口和 i s c s i 协议栈，使存储设备可直接插入千兆以太网交换机和i p 路由器中，在网 络中被看作成普通的i p 实体。与通常的i p 实现机制一样，存储设备也需要一 个i p 地址及类似域名系统( d n s ) 的名址查询服务，i n t e r n e t 存储名服务 ( i s c s i ) 就是提供该服务的协议。i s c s i 请求方必须首先查询i s c s i 服务器， 获得所需目标资源的i p 地址，然后再与其建立t c p i p 连接【7 1 。 西北 二业人学硕十论文 第二章i s c s i 技术与虚拟俘伸披术 2 1 2 i s c s i 协议模型 i s c s i 包括发起端( i n i t i a t o r ) 和目标端( t a r g e t ) 两部分，发起端一般为有 网络存储要求的客户机，目标端为带有存储没备的服务器。任何一个协议都有 其层次结构，i s c s i 也同样有一个清晰的层次结构，i s c s i 的体系结构如图2 - 1 所示： 发起端 幽2 一li s c s i 体系结构 目标端 发起端和目标端之问的通信称为会话( s e s s i o n ) ，一个会话包含一个或多个 t c p 连接( c o n n e c t i o n ) 。初始化阶段，由发起端向目标端发出建立连接请求， 然后i s c s i 执行登录操作，建立会话。登录完成后，i s c s i 进入全工阶段( f u l l f e a t u r ep h a s e ) ，开始正常的s c s i 交互。 当发起端向目标端发出一个存储i o 请求时，根据图2 - 1 所示的i s c s i 体系 结构，发起端操作系统先把该请求转化为s c s i 命令，s c s i 命令经过i s c s i 层 时，被封装为i s c s i 协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) ，再经过t c p a p 协议栈封装成i p 数据包，就可以在i p 网络上向目标端传输。封装后的i s c s i 协议数据报格式如图2 2 所示： 图2 - 2i s c s i 协议数据报格式 甸甸甸甸圃j i 回国圃圃甸 第二章i s c s i 挫术j 胎拟存1 i f ；披术 目标端收到i p 数据包后，按照相反方向解封装，恢复成封装前的s c s i 命 令，再把该命令交给目标存储设备处理。处理结束后，目标端把得到的s c s i 响应和数据沿着相反路线封装成i s c s ip d u ，再传回给发起端；发起端收到返 回的i p 数据包后解封装，把提取出的s c s i 响应和数据交给操作系统处理。当 所有请求都被处理完，由发起端主动断丌连接，整个会话结束。 i s c s i 协议的工作流程如图2 3 所示： ，厂n j l。 图2 - 3i s c s ! 协议的工作流程 由于i s c s i 会话的发起端和目标端在物理上可能处于不同的位置。当两者 处于不可信任的网络环境中，两者之间不具有相互信任的关系。因此，在双方 进行存储数据访问之前，应该进行相互之间的身份认证。i s c s i 协议在会话建立 阶段提供了对认证的支持。在进行数据传输之前，发起端必须首先与目标端建 立i s c s i 会话，而一个会话包含一个或多个t c p 连接，i s c s i 会在第一个t c p 连接的建立过程中，同时开始一个注册过程。在注册阶段，会话双方需要交换 一些信息来验证对方身份，同时协商会话参数t s l 。 2 2 虚拟存储技术 2 2 1 虚拟存储技术概述 所谓虚拟存储技术，是指把多个物理上独立存在的存储体通过软件或硬件 的手段集中管理起来，形成一个逻辑一k 的虚拟存储单元供主机访问。这个虚拟 逻辑单元的存储容量是它所集中管理的各物理存储体的存储容量之和，而它的 访问带宽则在一定程度上接近各个物理存储体的访问带宽之和。虚拟存储实际 上是逻辑存储，是一种智能、有效地管理存储数据的方式。虚拟存储克服了物 理存储的局限，它可以把物理设备变成完全不同的逻辑镜像，呈现给用户，既 允分利用了物理设备的优势，如高性能、高可用，义打破了物理设备本身f i 可 克服的局限性。从用户角度看，使用存储空间而不是使用物理存储硬件，管理 存储空间而不是管理物理存储部件，这就是虚拟存储的概念1 9 n ”】。虚拟存储技 岍北t 业人学顺 ：论文 术将底层存储设备进行抽象化统一管理，向服务器层屏蔽存储设备硬件的特殊 性，而只保留其统一的逻辑特性，从而实现了存储系统集中、统一而又方便的 管理。对比个计算机系统来说，整个存储系统中的虚拟存储部分就像计算机 系统中的操作系统，对下层管理着各种特殊而具体的设备，而对上层则提供相 对统的运行环境和资源使用方式。 虚拟存储技术是对此技术的产品或者架构被仿真设计为一个普通的类似于 数据存储磁带机的一种物理存储设备，虚拟存储技术在对数据存储时，通过对 “软”技术的管理控制，间接达到对“硬”存储设备的管理和控制；换句话观， 人们对虚拟存储技术进行的各种性能操作都会被镜像到另一个物理存储没备 上，比方说是一个磁盘或磁盘子系统，而逻辑设备和虚拟设备的特性可以完全 不同，应用系统操作的是虚拟设备，而不必关心真正的物理设备是什么。大家 知道在使用传统的存储技术来保存数据信息时，每当对计算机系统增加新的存 储设备时，都必须重新对整个计算机系统的参数进行些合适的设置，而每次 的新设置都需要多次关机、开机操作，在这频繁的开关过程中就有可能导致系 统中的部分数据不能被继续使用，从而中断业务的连续性。针对这种存储的弊 病，虚拟存储技术特意简化了对数据存储管理的复杂性，降低存储管理和运行 成本。而在虚拟存储环境中，无论网络后端的物理设备发生什么变化，服务器 及其应用系统看到的存储设备的逻辑镜像都是不变的，这样，用户将不必关心 底层物理环境的复杂性，只需管理基于异构平台的存储空间，所有的存储管理 操作，如系统升级、建立、扩充存储空间、分配虚拟磁盘、改变r a i d 等就变 得非常方便。另外，虚拟存储允许一个用户共享不同供应厂商的存储设备，允 许多用户共享同一个存储网络，因此，用户很容易地增加存储容量和在设备问 移动数据。从一卜面的分析大家不难发现，虚拟存储技术其实只是种逻辑存储 技术，这种存储技术对数据的管理是智能的、有效的。利用该技术，用户可以 直接对数据存储空问进行管理和控制，而不是对当前计算机系统所使用的物理 存储硬件进行管理和控制。 虚拟存储和网络存储有一种共同的特点，那就是对网络上的数据进行存储 管理，从而使网络用户能方便地实现和管理存储网络，不过虚拟存储技术的使 用根本还是用来有效提高存储效率，降低存储投资的费用的。比方说，大家在 使用普通的磁盘来存储数据时，有时为了满足数据信息量不断增长的需求，常 常需要让磁盘保留一定的容量空问，而这种容量空间的保留就会造成3 0 左右 的磁盘容量从来就没有被使用过，这样就会白白地造成了磁盘空间资源的浪费。 同时，为了满足系统的镜像等附加功能要求，用户必须购买超过实际数量三四 倍的磁盘。而虚拟存储技术可以将所有可用的存储设备作为一个存储池来管理， 容量可以根据需要进行重新分配或增加，多余的存储容量可以由需要的应用程 序加以利用，这样，磁盘容量就会毫无保留地得到使用，从而从根本上解决了 容量上的浪费问题。其实在存储网络刚开始被广泛推出时，人们就已经意识到 网络存储还不足以真正减轻存储管理的重担，而如何更高效地管理好存储，是 各位数据存储用户必须认真思考的问题，所有围绕存储和管理存储努力的目标 是如何使存储管理自动化，从而减少人工操作。虚拟存储正是针对这一目标的 技术，同时根据客户环境设定自动管理规则、并赋予系统智能化的决策功能， 旦型生生些苎i ! 坐! ! 堡兰 塑兰翌! ! ! ! ! 垫查：! 堂型堡些丝查 在不久的将来这也会成为虚拟技术的一部分“1 1 1 2 1 。 2 2 2 虚拟存储的实现方法 自从虚拟存储成为热点技术以来，许多供应商丌始采用不同的系统结构实 现存储虚拟功能，但其完整性和容量水平有所差异。从系统的观点看，有三种 主要的存储虚拟化方法：基于主机的虚拟存储，基于存储设备的虚拟存储和 基于网络的虚拟存储【“1 。 1 基于主机的虚拟存储 基于主机的虚拟存储依赖于代理或者管理软件，它们安装在一个或多个主 机上，实现存储虚拟化的控制和管理。由于控制软件是运行在主机上，这就会 占用主机的处理时问。因此，这种方法的可扩充性较差，实际运行的性能不是 很好。基于主机的方法也有可能影l 】l a j n 系统的稳定性和安全性，因为有可能导 致不经意问越权访问到受保护的数据。这种方法要求在主机上安装适当的控制 软件，因此一个主机的故障可能影响整个存储系统中数据的完整性。软件控制 的存储虚拟化还可能由于不同存储厂商软硬件的差异而带来不必要的互操作性 开销，所以这种方法的灵活性也比较差。 但是，因为不需要任何附加硬件，基于主机的虚拟化方法最容易实现，其 设备成本最低。使用这种方法的供应商趋向于成为存储管理领域的软件厂商， 而且目前已经有成熟的软件产品。这些软件可以提供便于使用的图形接口，方 便地用于s a n 的管理和虚拟化，在主机和小型s a n 结构中有着良好的负载平 衡机制。从这个意义上看，基于主机的存储虚拟化是一种性价比不错的方法。 2 基于存储设备的虚拟存储 基于存储设备的存储虚拟化方法依赖于提供相关功能的存储模块。如果没 有第三方的虚拟软件，基于存储的虚拟化经常只能提供一种不完全的存储虚拟 化的解决方案。对于包含多厂商存储设备的s a n 存储系统，这种方法的运行效 果并不是很好。依赖于存储供应商的功能模块将会在系统中排斥j b o d s ( j u s ta b u n c ho fd i s k s ，简单的硬盘组) 和简单存储设备的使用，因为这些设备并没有 提供存储虚拟化的功能。当然，利用这种方法意味着最终将锁定某一家单独的 存储供应商。 基于存储的虚拟化方法也有一些优势：在存储系统中这种方法较容易实现， 容易和某个特定存储供应商的设备相协调，所以更容易管理，同时它对用户或 管理人员都是透明的。但是，我们必须注意到，因为缺乏足够的软件进行支持， 这就使得解决方案更难以客户化( c u s t o m z i n g ) 和监控。 3 基于网络的虚拟存储 基于网络的虚拟化方法是在网络设备之间实现存储虚拟化功能，具体有下 面几种方式： ( 1 ) 基于互联设备的虚拟化 基于互联设备的方法如果是对称的，那么控制信息和数据走在同一条通道 上；如果是不对称的，控制信息和数据走在不同的路径上。在对称的方式下， 互联设备可能成为瓶颈，但是多重设备管理和负载平衡机制可以减缓瓶颈的矛 i n i 北t 业夫学坝l 论文 第二二章i s c s l 技术与虚拟存储技术 盾。同时，多重设备管理环境中，当一个设备发生故障时，也比较容易支持服 务器实现故障接替。但是，这将j “生多个s a n 孤岛，因为一个设备仅控制与它 所连接的存储系统。非对称式虚拟存储比对称式更具有可扩展性，冈为数据和 控制信息的路径是分离的。 基于互联设备的虚拟化方法能够在专用服务器上运行，使用标准操作系统， 例如w i n d o w s 、s u n 、s o l a r i s 、l i n u x 或供应商提供的操作系统。这种方法运行 在标准操作系统中，具有基于主机方法的诸多优势易使用、设备便宜。韵： 多基于设备的虚拟化提供商也提供附加的功能模块来改善系统的整体性能，能 够获得比标准操作系统更好的性能和更完善的功能，但需要更高的硬件成本。 但是，基于设备的方法也继承了基于主机虚拟化方法的一些缺陷，因为它 仍然需要一个运行在主机上的代理软件或基于主机的适配器，任何主机的故障 或不适当的主机配罨都可能导致访问到不被保护的数据。同时，在异构操作系 统间的互操作性仍然是一个问题。 ( 2 ) 基于交换机的虚拟化 按照基于交换机的方法，存储虚拟化的功能模块嵌入于交换机的固件中或 者放在附属于交换机的单独的服务器上。由于并不要求在每一台主机上都运行 存储虚拟化功能软件，基于交换机的存储虚拟化系统以软件方式提供管理功能 模块，这种方法不存在基于设备或基于主机环境中可能会遇到的安全性问题。 同时，在异构环境中也能提供更多的互操作性。但是，交换机仍然是一个瓶颈， 也可能成为故障的敏感点。当然，如果不在意较高的附加费用，可以引入备用 交换机，用于数据通道上的故障接替。 ( 3 ) 基于路由器的虚拟化 基于路由器的方法是在路由器固件上实现存储虚拟化功能。供应商通常也 提供运行在主机上的附加软件来进一步增强存储管理能力。在此方法中，路由 器被放置于每个主机到存储网络的数据通道中，用来截取网络中任何一个从主 机到存储系统的命令。由于路由器潜在地为每一台主机服务，大多数控制模块 存在于路由器的固件中，相对于基于主机和大多数基于互联设备的方法，这种 方法的性能更好、效果更佳。由于不依赖于在每个主机上运行的代理服务器， 这种方法比基于主机或基于设备的方法具有更好的安全性。当连接主机到存储 网络的路由器出现故障时，仍然可能导致主机上的数据不能被访问。但是只有 连接于故障路由器的主机才会受到影响，其他主机仍然可以通过其他路由器访 问存储系统。路由器的冗余可以支持动态多路径，这也为上述故障问题提供了 一个解决方法。由于路由器经常作为协议转换的桥梁，基于路由器的方法也可 以在异构操作系统和多供应商存储环境之间提供互操作性i l 。 2 3 基于i s c s l 虚拟存储系统的提出 针对传统的存储系统通常采用存储! | ；j 务器、磁盘阵列甚至p c 的存储，这利t 非虚拟存储环境虽然大都提供了基本的存储服务，但对用户来说仍有存储空间 利用率低、扩展性差、负载不平衡、管理复杂等诸多问题，为了解决以上的问 题，我们提出了基于i s c s i 的虚拟存储系统( v i r t u a l i z a t i o ns t o r a g es y s t e m 两北 业人学硕l 论文 笫_ 二章i s c s i 技术1 引靠拟存储披术 b a s e do ni s c s i ，v s s b i ) ，该系统是在i s